TWI741962B

TWI741962B - 鋁鎳銅合金及其製造方法

Info

Publication number: TWI741962B
Application number: TW110113807A
Authority: TW
Inventors: 洪飛義; 黃國棟
Original assignee: 圓融金屬粉末股份有限公司
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-10-01
Also published as: TW202242151A

Abstract

本發明關於一種鎳鋁銅合金及其製造方法，製造方法包含：步驟一，將一鋁鎳母合金融化，於第一反應溫度作用，以獲得含有Al ₃Ni的第一合金湯；步驟二，於第一合金湯中添加一鋁銅母合金，於第二溫度作用，以獲得含有鋁鎳銅合金的第二合金湯；步驟三，於第二合金湯內加入一鋁鋯母合金，於第三溫度作用，以獲得含有鋁鎳銅鋯合金的第三合金湯；步驟四：於第三合金湯中加入一鋁鉻母合金，於第四溫度作用，以獲得一含有鋁鎳銅鋯鉻的第四合金湯；以及步驟五：將該第四合金湯冷卻，以獲得該鋁鎳銅合金。

Description

鋁鎳銅合金及其製造方法

本發明係關於一種鋁鎳銅合金及其製造方法，並藉由超高溫固溶化熱處理，以獲得具有優異機械性質與耐疲勞壽命的鋁合金。

鋁合金通常是指含有銅、鋅、錳、矽、鎂等元素的合金，跟普通的碳鋼相比，鋁合金有更輕及耐腐蝕的性能，但是抗腐蝕性仍不如純鋁。鋁合金的運用非常廣泛，包含各種工程結構，或是應用於現代的航空器，且因應不同的特性需求，開發出不同系列以及含有不同元素的多種鋁合金系統。

例如中華民國專利第 TW I692530 號發明專利為一種鋁合金粉末及其製造方法、鋁合金製品及其製造方法，其進行一熔煉製程；使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成一鋁合金熔湯，並進一步製成鋁合金粉末，上述鋁合金添加鐵(Fe)及矽(Si)提升強度及耐熱性同時，需另添加錳(Mn) 鉻(Cr) 調整鐵(Fe)在鋁合金中的微結構，以提升延展性及抗拉強度，且上述鋁合金熱處理時另需控制矽(Si)組成含量，避免形成粗大矽顆粒產生，導致鋁合金抗拉強度降低。前案的化學成分的範圍與本案有差異，且沒有針對冶金機理以及高溫應用特點進行說明。

例如中國專利第 CN105039798 B 號發明專利為一種具有改進的性質的鋁合金部件，主要為鋁(Al)矽(Si)合金，主要組成包含銅(Cu)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鈦(Ti)，添加矽主要為增加合金流動性，添加鐵(Fe)及錳(Mn)雖會增加強度，但鐵(Fe)與鋁(Al)矽(Si) 鎂(Mg)間金屬化合物會嚴重降低合金的拉伸強度及延展性，熱處理時須控制其組成含量。

例如中國專利第 CN106513638 B 號發明專利為一種2024鋁合金鑄造方法，主要組成包含銅(Cu)、錳(Mn)、鈦(Ti)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、矽(Si)，其鑄造步驟係以銅(Cu)、錳(Mn)、鈦(Ti)作為中間合金進行熔煉，為了達成較佳的硬度、延展性與抗拉伸強度，最後再添加鎂(Mg)而製成2024鋁合金。再者，2024鋁合金的銅含量更是要精確控制，否則材料強度與疲勞特性都無法滿足航太應用要求，更嚴重的話，連鹽霧試驗也無法過認證。

今，發明人有鑑於目前的鋁合金的於使用上仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明關於一種鋁鎳銅合金及其製造方法，鋁鎳銅合金包含4.0-8.0 wt.%之鎳，2.0-4.0 wt.%之銅，1.0-2.0 wt.%之鋯，0.5-1.0 wt.%之鉻，以及剩餘重量百分比之鋁；其製造方法包含：步驟一，將一鋁鎳母合金(Al-10 wt.%Ni)融化，並且於一第一作用溫度作用 (750度-800度)，以獲得一含有Al ₃Ni的第一合金湯；步驟二，於該第一合金湯中添加一鋁銅母合金(Al-30 wt.%Cu)，於一第二溫度作用(800度-850度)，以獲得一含有鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金的第二合金湯，其中該鋁鎳銅合金包含4-8 wt.%的鎳、2.0-4.0 wt.%的銅以及剩餘百分比的鋁；步驟三，於該第二合金湯內加入一鋁鋯母合金(Al-30 wt.% Zr)，於一第三溫度作用(850度-900度)，以獲得一含有鋁鎳銅鋯(Al-Ni-Cu-Zr)合金的第三合金湯，其中該鋁鎳銅鋯合金係包含1.0-2.0 wt.%之鋯、2.0-4.0 wt.%之銅、4.0-8.0 wt.%之鎳以及剩餘百分比之鋁；步驟四，該第三合金湯中加入一鋁鉻(Al-2.0 wt.% Cr)母合金，於一第四溫度作用(900度-950度)，以獲得一含有鋁鎳銅鋯鉻(Al-Ni-Cu-Zr-Cr)的第四合金湯，其中該鋁鎳銅鋯鉻合金係包含0.5-1.0 wt.%之鉻、1.0-2.0 wt.%之鋯、2.0-4.0 wt.%之銅、4.0-8.0 wt.%之鎳以及剩餘百分比之鋁；以及步驟五，將該第四合金湯冷卻，以獲得該鋁鎳銅合金。

於本發明之一實施例中，鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金的第二相包含Al ₃Ni、Al ₂Cu或Al ₃(Cu)Ni其中至少之一。

於本發明之一實施例中，鋁鎳銅鋯(Al-Ni-Cu-Zr)合金的第二相包含Al ₃Ni、Al ₂Cu,、Al ₃(Cu)Ni與Al ₃Zr其中至少之一。

於本發明之一實施例中，鋁鎳銅鋯鉻(Al-Ni-Cu-Zr-Cr)合金的第二相係包含Al ₃Ni、Al ₂Cu、Al ₃(Cu)Ni、Al ₃Zr、Al ₇Cr、Al ₃(Cr)Zr與AlCuCr其中至少之一。

於本發明之一實施例中，第一作用溫度為750-800℃、該第二作用溫度為800-850℃，該第三作用溫度為850-900℃，以及該第四作用溫度為900-950℃。

於本發明之一實施例中，鋁鎳銅合金的極限抗拉強度介於550-800 MPa，硬度介於90-100 HFR，旋轉疲勞壽命次數介於30000-40000次。

於本發明之一實施例中，鋁鎳銅合金於200℃高溫抗拉強度介350-400 MPa。

藉此，以本發明藉由超高溫固溶化熱處理的方式，製得一鋁鎳銅合金，含有五種金屬元素與七種穩定析出相，且具有優異機械性質與耐疲勞壽命。

為令本發明之技術手段其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式。

本發明關於一種鋁鎳銅合金及其製造方法，本發明所製造的鋁鎳銅合金包含4.0-8.0 wt.%之鎳，2.0-4.0 wt.%之銅，1.0-2.0 wt.%之鋯，0.5-1.0 wt.%之鉻，以及剩餘重量百分比之鋁；其極限抗拉強度介於550-800 MPa，硬度介於90-100 HFR，旋轉疲勞壽命次數介於30000-40000次，且其於200℃高溫抗拉強度介350-400 MPa。

本發明鋁鎳銅合金的製造方法如下：

步驟一：先將一鋁鎳母合金(Al-10 wt.%Ni)以750-800℃融化，並且於一第一作用溫度作用，以獲得一含有Al ₃Ni的第一合金湯，於本實施例中，是將鋁鎳母合金於750-800℃作用10分鐘。

步驟二：接著，在第一合金湯中，添加計算後的鋁銅母合金(Al-30 wt.%Cu)，並於第二溫度作用，以獲得一含有鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金的第二合金湯，其中該鋁鎳銅合金包含4-8 wt.%的鎳、2.0-4.0 wt.%的銅以及剩餘百分比的鋁，且第二相包含Al ₃Ni 與Al ₂Cu 及Al ₃(Cu)Ni其中至少之一；於本實施例中，是將加入鋁銅母合金的第一合金湯，於800-850℃作用10分鐘，以獲得第二合金湯；此步驟中，因為鋁與銅的化學親和力高，所以會形成熱穩定佳的Al ₂Cu，故這個步驟是將共晶組成的鋁銅母合金(Al-30 wt.%Cu)天加入鋁鎳母合金(Al-10 wt.% Ni)中。

步驟三：再於第二合金湯內，添加計算後的共晶組成的鋁鋯母合金(Al-30 wt.% Zr)，並於第三溫度作用，以獲得一含有鋁鎳銅鋯(Al-Ni-Cu-Zr)合金的第三合金湯，其中該鎳銅鋯合金包含1.0-2.0 wt.%之鋯、2.0-4.0 wt.%之銅、4.0-8.0 wt.%之鎳以及剩餘百分比之鋁，且鎳銅鋯合金的第二相包含Al ₃Ni、Al ₂Cu、Al ₃(Cu)Ni與Al ₃Zr其中至少之一；於本實施例中，是將加入鋁鋯母合金的第二合金湯，於850-900℃作用10分鐘，以獲得第三合金湯；

步驟四：於第三合金湯中，添加計算後的鋁鉻(Al-2.0 wt.% Cr)母合金，並於第四溫度作用，以獲得一含有鋁鎳銅鋯鉻(Al-Ni-Cu-Zr-Cr)的第四合金湯，其中鋁鎳銅鋯鉻合金係包含0.5-1.0 wt.%之鉻、1.0-2.0 wt.%之鋯、2.0-4.0 wt.%之銅、4.0-8.0 wt.%之鎳以及剩餘百分比之鋁，且鋁鎳銅鋯鉻合金的第二相包含Al ₃Ni，Al ₂Cu，Al ₃(Cu)Ni，Al ₃Zr，Al ₇Cr，Al ₃(Cr)Zr與AlCuCr其中至少之一；於本實施例中，是將加入鋁鉻母合金的第三合金湯，於900-950℃作用10分鐘，以獲得第四合金湯；以及

步驟五：將該第四合金湯澆鑄冷卻，以獲得本案之鋁鎳銅合金；本實施例中，所製得的鋁鎳銅合金包含4.0 wt.% 的鋁鎳(Al-Ni)，Cu: 2.0 wt.%的銅(Cu)，1.0 wt.%的鋯(Zr)，0.5 wt.%的鉻(Cr)，以及剩餘百分比的鋁；並將此製得的鋁鎳銅合金，進行性能測試。

其中，步驟二所獲得的鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金中，鎳含量最少為4.0 wt.%，此時會有大量的第二相的Al ₃Ni生成；又若鋁鎳銅合金中的鎳含量高於8.0 wt.%時，鋁元素的結構會由原本的面心立方晶格 (Face Center Cubic，FCC)轉變為體心立方晶格 (Body-Centered Cubic，BCC)，容易造成凝固偏析，進而會弱化機械性質；另，鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金中，銅含量至少為2.0 wt.%，所生成的Al ₂Cu結構才會穩定，若銅含量高於4.0 wt.%，Al ₂Cu 會影響Al ₃Ni的分佈型態，也會使所製造鋁鎳銅合金被誤認成2000系的鋁銅合金。

又，步驟三中的鋁鋯母合金包含了屬於穩定相的Al ₃Zr、以及屬於介穩相的Al ₂Zr、Al ₃Zr ₂與AlZr；又步驟三獲得的鋁鎳銅鋯(Al-Ni-Cu-Zr)合金，其鋯含量不可高於2.0 wt.%，否則容易發生晶界脆化效應。

另，步驟四的鋁鎳銅鋯鉻(Al-Ni-Cu-Zr-Cr)，其鉻含量不可以高於1.0 wt.%，所生成的介金屬化合物才會是Al ₇Cr。

接著，再將上述製造的鋁鎳銅合金，於510-570℃高溫作用1小時之後，再於175℃作用6小時，再測試鋁鎳銅合金的機械性質；請參見表一，為不同處理後鋁鎳銅合金的機械性質測試結果，包含測試極限抗拉強度(Ultimate Tensile Strength, UTS)、TE( Total Elonglation, TE)、硬度以及旋轉疲勞壽命，且旋轉疲勞壽命的測試，是使用長度13.0 cm、直徑6 mm的樣品，於轉速3000 rpm、壓力50 kg/mm ²的測試條件進行測試。根據表一，以570℃處理1 hr、再以175℃處理6 hr的鋁鎳銅合金，具有最佳的極限抗拉強度以及旋轉疲勞壽命。

表一

	UTS(MPa)	TE(%)	硬度(HFR)	旋轉疲勞壽命(N)次數
510℃(1 hr)+ 175℃(6 hr)	539	12.1	105	21082
530℃(1 hr)+ 175℃(6 hr)	556	11.6	100	24450
550℃(1 hr)+ 175℃(6 hr)	562	10.8	96	26386
570℃(1 hr)+ 175℃(6 hr)	588	10.2	95	31075

再將以570℃處理1 hr、再以175℃處理6 hr後的鋁鎳銅合金，與目前商用6061鋁合金與航太級2024鋁合金，進行機械性質的比較；請參見表二，本案製造的鋁鎳銅合金，與現有的鋁合金相比，也具有最佳的極限抗拉強度以及旋轉疲勞壽命。

表二

	UTS(MPa)	TE(%)	硬度(HFR)	旋轉疲勞壽命(N)次數
570℃(1 hr)+ 175℃(6 hr)	588	10.2	95	31075
商用6061鋁合金(T6)	320	20.2	72	16578
航太2024鋁合金(T6)	520	10.8	102	27622

再將以570℃處理1 hr、再以175℃處理6 hr後的鋁鎳銅合金，與目前商用6061鋁合金與航太2024鋁合金，進行高溫拉伸強度、鹽霧試驗以及耐磨耗性的比較；其中耐磨耗性(g/g)是指單位噴砂量的材料重量損失，其數值愈低，表示耐磨耗性能愈優異，進行測試時，測試樣本的尺寸為48 x 28 x 3 mm ³，使用的氧化鋁顆粒大小為300 μm，沖蝕壓力為3 kg/mm ²；根據表三的試驗結果，本案之鋁鎳銅合金於200℃高溫抗拉測試中，具有最高的200℃抗拉強度；又，經過72小時的鹽霧測試，本案之鋁鎳銅合金表面並沒有改變，但是商用6061鋁合金與2024鋁合金的表面會觀察到鏽斑；耐磨耗性的結果也顯示，本案之鋁鎳銅合金具有最佳的耐磨性。

表三

	200℃高溫抗拉強度(MPa)	鹽霧試驗(72小時)	耐磨耗性 (g/g)(x 10 ^-5)
570℃(1 hr)+ 175℃(6 hr)	355	表面正常	2.2
商用6061鋁合金(T6)	188	表面出現鏽斑	4.5
商用2024鋁合金(T6)	316	表面出現鏽斑	3.1

另，請參見第一圖，為本發明製造的鋁鎳銅合金，於510-570℃作用1小時、再於175℃作用6小時之後，以顯微鏡於200倍放大倍率下，觀察到的顯微組織特徵。

綜上，本發明之鋁鎳銅合金，藉由超高溫固溶化熱處理與人工時效處理，所獲得的產物具有優異機械性質與耐疲勞壽命，

綜上所述，本發明鋁鎳銅合金及其製造方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；其；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

無

第一圖：本發明鋁鎳銅合金之顯微組織圖。

Claims

一種鋁鎳銅合金的製造方法，係包含：步驟一：將一鋁鎳母合金(Al-10 wt.%Ni)融化，並且於一第一作用溫度作用(750-800℃)，以獲得一含有Al ₃Ni的第一合金湯；步驟二：於該第一合金湯中添加一鋁銅母合金(Al-30 wt.%Cu)，於一第二溫度作用(800-850℃)，以獲得一含有鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金的第二合金湯，其中該鋁鎳銅合金包含4-8 wt.%的鎳、2.0-4.0 wt.%的銅以及剩餘百分比的鋁；步驟三：於該第二合金湯內加入一鋁鋯母合金(Al-30 wt.% Zr)，於一第三溫度作用(850-900℃)，以獲得一含有鋁鎳銅鋯(Al-Ni-Cu-Zr)合金的第三合金湯，其中該鋁鎳銅鋯合金係包含1.0-2.0 wt.%之鋯、2.0-4.0 wt.%之銅、4.0-8.0 wt.%之鎳以及剩餘百分比之鋁；以及步驟四：該第三合金湯中加入一鋁鉻(Al-2.0 wt.% Cr)母合金，於一第四溫度作用(900-950℃)，以獲得一含有鋁鎳銅鋯鉻(Al-Ni-Cu-Zr-Cr)的第四合金湯，其中該鋁鎳銅鋯鉻合金係包含0.5-1.0 wt.%之鉻、1.0-2.0 wt.%之鋯、2.0-4.0 wt.%之銅、4.0-8.0 wt.%之鎳以及剩餘百分比之鋁；以及步驟五：將該第四合金湯澆鑄冷卻，以獲得該鋁鎳銅合金。
如請求項1所述之製造方法，其中該鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金的第二相包含Al ₃Ni、Al ₂Cu或Al ₃(Cu)Ni其中至少之一。
如請求項1所述之製造方法，其中該鋁鎳銅鋯(Al-Ni-Cu-Zr)合金的第二相包含Al ₃Ni、Al ₂Cu,、Al ₃(Cu)Ni與Al ₃Zr其中至少之一。
如請求項1所述之製造方法，其中該鋁鎳銅鋯鉻(Al-Ni-Cu-Zr-Cr)合金的第二相係包含Al ₃Ni、Al ₂Cu、Al ₃(Cu)Ni、Al ₃Zr、Al ₇Cr、Al ₃(Cr)Zr與AlCuCr其中至少之一者。
如請求項1所述之製造方法，其中該第一作用溫度為750-800℃、該第二作用溫度為800-850℃，該第三作用溫度為850-900℃，以及該第四作用溫度為900-950℃。
一種由請求項1-5所述任一項之製造方法所製得的鋁鎳銅合金，係包含4.0-8.0 wt.%之鎳，2.0-4.0 wt.%之銅，1.0-2.0 wt.%之鋯，0.5-1.0 wt.%之鉻，以及剩餘重量百分比之鋁。
如請求項6所述之鋁鎳銅合金，其極限抗申強度介於550-800 MPa，硬度介於90-100 HFR，旋轉疲勞壽命次數介於30000-40000次。
如請求項6所述之鋁鎳銅合金，其於200℃高溫抗拉強度介350-400 MPa。